满足2025严苛污染物和CO2排放标准要求的轻型商用车柴油混合动力

德T. KOERFER

交通运输领域温室气体（GHG）减排压力的日益增大对整个汽车行业提出了挑战。由于新发布的欧洲车队CO2排放目标要求在未来几年内大幅减少CO2排放。基于2021年数据，欧盟要求到2025年CO2排放目标减少15%，到2030年减少31%。研究人员为此提出了大量建议，确保开发出成本低、排放少的车型，以满足市场需求。柴油动力车，尤其是轻型柴油车已经成为近年来CO2减排的主要研究方向，其减排效果主要在于燃烧效率改善与机械损失减少。然而，仅通过改进发动机技术很可能无法进一步实现燃油耗降低和CO2减排。为满足不断严苛的减排要求，介绍了针对大型轻型商用车（LCV）用途的先进动力装置结构的概念设计，以及在工作特性图上功能性与相应成本降低措施之间的平衡情况;还介绍了初始功能性数据，尤其是与传统动力装置和串联混合动力结构之间的比较情况;最后，对参数进行了排序，以确定实现该新型结构工业化需要进行的后续工作。

轻型商用车;混合动力;动力装置;排放

0 前言

在全球范围内，轻型商用车（LCV）的市场份额急剧增大，覆盖了车辆总质量为2 500～5 500 kg的所有车型[1]。当今商用车市场几乎都采用柴油推进动力。尽管当前的汽车市场存在一些阻碍，但是从全球角度预测，未来10年内，柴油动力装置在轻型商用车领域的市场占有率将持续增长[2-3]（图1）。

对于车辆质量较大的车辆，尤其是重型货物运输和/或需要牵引车牵引的车辆，由于需要平衡总成本与客户需求之间的关系，需要采用不同的动力装置结构。为满足未来温室气体（GHG）减排法规和多样化实际工作负载循环的要求，新型动力装置结构的开发已经被提上了议事日程。研究人员针对上述要求开发了1种极具前景和吸引力的结构设计方案，并将其命名为“Diesel Emotion”。该结构由高效柴油机和大功率电辅助装置组成。该结构采用了定制技术参数的优化柴油机和功率强劲的电动机。在市区工况下，车辆通常以全电或电辅助的形式行驶。一旦车速和负载超过阈值，会触发直连模式，直接执行驾驶员的指令要求。偏好这种结构的最重要因素是行驶里程长、起动性能卓越、耐久性良好、负载能力高、实际燃油耗低，以及综合性能出色，因此极具吸引力[4]。

在这种背景下，对于严格要求CO2排放的市场，研究人员针对欧洲市场专门设计了1款柴油混合动力装置，其具有卓越的性能、结构灵活的推进系统，且推进系统的实际燃油耗低，CO2排放少[5]。除了具有排气管污染物接近零排放的特点外，该动力装置保持了主要的车辆特点和特性，诸如重型货物运输、长距离行驶（上坡）及重型牵引车牵引，也可以用于市区货运和客运的皮卡车、箱式货车及大客车等在内的轻型商用车。同时，该动力装置可用于市间或高速公路运输。目前，动力装置电气化进入商用车领域的比例越来越高。本文详细地研究了柴油混合动力推进系统的中期市场引入潜力[6]。该柴油混合动力推进系统是专为上述车辆设计的，且可实现接近零污染物排放及最低CO2排放。因此，分析矩阵研究基于的是全局柴油机平台，以确保与其他市场需求的兼容性[7-8]。

研究人员分析并研究了串联-混联混合动力推进系统的技术特点，旨在提高电驱动的日常使用比例。当纯电驱动模式不可行时，高速公路、牵引车牵引导致的高负载、长距离上坡，以及高货运负载等工况可以通过柴油机直接机械驱动车轮，以获得极高的工作效率。

如图2所示，为了减少交通运输领域的碳排放，欧盟基于新欧洲行驶循环（NEDC）工况和全球统一轻型车试验程序（WLTP）工况针对汽车行业制定了极为宏伟的CO2减排目标[9]。此外，针对污染物排放、噪声-振动-平顺性（NVH）的法规要求也日益严格，尤其侧重于市区范围内。如图3所示，为了满足这些标准要求，相关企业需要大量增加动力装置技术封装。

极具挑战性的欧盟排放法规、超出车队CO2法规目标值将面临高额罚单的威胁，以及无法获得城市中心准入许可的风险等都促使研究者要考虑先前认为不适用于这类对成本极为敏感的车辆的那些先进技术。 图4示出了市内区域的定义实例。意大利的都灵市归类为超低/零排放区域，在该区域内，内燃机汽车是不允许通行的。对这些特殊区域类型的深入分析可为已安装的电动推进系统提供必要技术规格和能力方面的有价值信息。为了实现精确调节附加成本与牵引系统功能需求（包含诸如环境条件恶化或高度负载，以及牵引车牵引工况等所有变化因素）之间的折中关系，研究人员在混合动力推进系统的设计中全面考虑了这些研究结果。

该研究进行的相应分析完全基于实际物理组件，并且采用了先进的仿真模型计算，包含典型轻型商用车领域的运行策略优化精确评价，以及针对不同应用实例的CO2和污染物减排潜力评价。

1 概念定义与技术规格

针对社会高需求和高预期制订的法规制度，研究人员旨在通过综合采用诸如整体系统效率改善及更高程度的电气化等不同措施，实现温室气体的大幅减排。所有措施都有助于实现不采用化石燃料的整体目标。根据当前对法规要求与主要市场需求之间综合关系的理解与解读，典型轻型柴油机的发展将包含2个方面的主要技术路线。

一方面，通过采用更加精炼的技术进一步加速改进传统内燃机，即采用基于成本高效的48 V系统轻度电辅助;另一方面，為实现成本优化，一些未来应用倾向于采用动力性更强的电驱动系统，同时大量减少内燃机集成技术封装的使用，具体实例如图5所示。根据全球的生产数量，考虑到相同的基本发动机结构及关键零部件和子系统的高度模块化，这2个方面的技术路线应当同步进行。

上述轻型商用车通常用于运载货物，在某些情况下也可用于运载乘客。在欧洲，轻型商用车允许的车辆总质量为3 500 kg（N1类）。轻型商用车市场被划分为4个类型：小型、中型、大型箱式货车，以及皮卡车。近期，针对乘用车和轻型商用车发布的新欧洲CO2车队目标要求是在未来10年内大幅减少CO2排放（相对轻型商用车的2021年目标值，到2025年减少15%，到2030年减少31%）。除了这些极为严苛的CO2排放目标值，进一步降低污染物排放极限也将是后欧六排放标准工作的一部分内容。

在该背景下，相关专家根据轻型商用车的主要工作特点和最大行驶里程划分出4个主要客户群，如图6所示。除了原始设备制造商（OEM）的车辆布置，以及客户端使用环境和驾驶习惯等可能的偏好要求外，制造商还必须满足上述提及的严苛温室气体排放法规的要求。当前车队的官方数据显示，欧盟28国的CO2排放为158 g/km（2018年数据），德国的CO2排放为152 g/km（2018年数据）。对于平均整车质量为1 766 kg的车辆，相较于在NEDC工况下CO2排放147 g/km的2020目标值，差距相对较小。与传统NEDC工况相比，如果过渡到新实施的WLTP工况，CO2排放数值将增大20%～25%。即将生效的2021 WLTP排放目标值将作为确定2025年和2030年CO2排放目标值的基础。2025年，CO2排放减少15%;2030年，CO2排放减少31%。在将来，柴油机仍会在成本高效区为实现轻型商用车和箱式货车的目标减排要求作出必要贡献。

除了要满足来自于法定利益相关者和政策制订者的基本需求外，轻型商用车的发展还要兼顾客户端高度细分和差异化的市场组成。图6提供了针对较大型轻型商用车用途的主要应用实例的简化分类情况。客户群A对行驶里程的需求很低，主要在郊区行驶，属于小客户群。该类车型包括在郊区行驶的绿化专用车辆和往返通勤班车。客户群B需要长行驶里程，主要在郊区和高速上行驶。针对该客户群的经典车型定义实例如下：快递运输车辆、在人口稀少的郊区行驶的包裹运输车辆，以及诸如野营房车等。客户群C需要长行驶里程，在城市内或城市间行驶。该运行范围主要适用于较大城市周边的绿化专用车辆、往返通勤班车或乘客运输车辆。客户群D仅需要较短的行驶里程，主要在市区行驶。具有代表性的这类车型包括医用服务或运输服务车辆，以及市政车辆等。

基于这些分类，研究人员确定了目标车辆定义，并采用1款经典的大型箱式货车。该车型继承了2017年款车型的技术规格，其特点是采用约3.6 m的中等轴距及低顶底盘作为基准车辆（图7）。通常，这些车辆类型适用于多种设计或结构（前轮驱动、后轮驱动和四轮驱动）。为了有助于附加混合动力系统组件的安装，研究人员选择了采用后轮驱动的结构作为起点。该车辆结构内采用的基准发动机是1款标准的2.0 L直列4缸发动机，最高功率约130 kW，最大扭矩超过400 N·m。该发动机采用了先进的可变喷嘴涡轮（VNT）+废气涡轮（WG）二级涡轮增压系统、冷却高压EGR和紧耦合集成式选择性催化还原及颗粒过滤器（ACC SDPF），以及后置地板下选择性催化还原（a.uf SCR）系统。研究人员根据重型车标准进行了验证，该车型满足欧六排放标准要求。表1为该车型的主要技术参数。

如图8所示，初始分析结果预定义了上述市场领域最可能出现的电气化趋势，强化了对高度灵活和模块化动力装置结构的要求，从而有效覆盖未来市场需求。

为了研究这种部分电气化的柴油动力装置的优势和挑战，研究人员启动了1项先进工程项目。该研究项目初始阶段的主要目标如下：（1）基于目前先进的柴油机结构，为电动柴油动力装置的模块化技术平台确定技术配置;（2）针对轻型商用车领域具有代表性的不同客户群特点及运行范围，确定优化柴油混合动力推进系统。

柴油混合动力装置优化运行策略具体包括：（1）优化起动性能;（2）改善DPF再生;（3）确定CO2和污染物排放之间的折中关系;（4）定义成本-功能性优化的发动机和排气后处理系统。

在先进工程项目的第一阶段，研究人员分析了几种混合动力装置，确定2种主要结构作进一步的详细评价。1种是P2并联式混合动力结构，另1种是“串联-混联”的混合动力结构。研究人员选择P2结构是因为其针对不同混合动力运行模式具有很高的灵活性，并且能够兼容具有极高共享度的批量生产零部件;而选择“串联-混联”结构是为了更精准地满足欧洲一些主要客户的动力需求，如满载长距离行驶、牵引车牵引，以及长距离爬坡行驶等。

定义这种未来柴油混合动力装置的推进系统需要采用系统性的同步优化方法，不仅要考虑与燃油经济性和CO2排放有关的法规验证循环，而且还要考虑很多其他与车辆特点和特性有关的方面，如车辆起动性能、牵引力、拥有成本、满足严苛欧七排放标准和相关尿素（AdBlueGA16B）消耗要求的实际尾气排放特性。

由于多个子系统的相关功能参数数量较大且相互作用，研究人员因此采用统计优化方法，取代每次仅检测1个参数的传统耗时评价方法。先进推进系统优化算法基于的是针对每个动力装置组件具有预测能力的模型。研究人员针对该模型进行了进一步开发，可对所有可能行驶模式下的先进轻型柴油机进行仿真。针对硬件选择及混合动力运行策略，研究人员采用了扩展试验设计（DoE）方法，通过探索几项不同并联混合动力结构潜力的研究验证工具链的能力。本研究采用的优化方法基于的是上述先期的研究工作，并且遵循如图9所示的优化过程。

2 结果与评价

2.1 实现方案设计

针对动力装置结构的1个关键要求是其以纯电牵引模式进出市区中心的能力，其中涵盖了最大负荷工况。为了确定所需功率的各自能量需求，图10列出了所须考虑的目标用途的功率需求。尽管忽略了牵引车的纯市区工况牵引力，但在市区内快速路等超低排放区域平稳行驶电动机所需的功率最高可达70 kW。

基于上述车辆技术参數及与市区内特定超低排放区域一致的功能特性，研究人员最终确定选择了2种主要的适当混合动力结构。这也在一定程度上反映了先前划分的柴油机发展阶段，即在该10年周期的第2个5年间，柴油机的发展已经超越了预期目标。

第1种适当结构是P2插电式混合动力结构。这是1种具有代表性的推进系统，仍旧采用技术高度成熟的柴油机作为主推进装置，采用针对特定工况需求的动力强劲的电动机作为辅助推进装置，特定工况需求覆盖特定市区内仅限纯电行驶的必要因素。图11列出了研究中所选的2种主要结构，以及2种结构与经典串联混合动力结构的比较情况。研究人员倾向采用P2混合动力装置，采用功率为42/70（恒定/峰值）kW的电动机，并且在变速箱前布置2个离合器，用于解耦电动机和内燃机。在市区热点工况下，采用这种技术规格以纯电模式行驶能够精确获得上述目标制定的车辆动力性。

另1种混合动力系统是电力更强的电气系统，能够产生75/120（恒定/峰值）kW的功率，作为整车的推进动力，可实现纯电行驶。为了消除对行驶性能任何形式的限制，“串联-混联”混合动力结构中还包含了1台结构简单的1档变速箱。该变速箱可实现与发动机和驱动轮的高效直接机械耦合，从而在特定工况下可通过柴油机直接驱动车辆。

在初始阶段，研究人员全面确定了推进系统的主要功能参数、主推进系统参数，以及高级运行策略，并将其简化成几个相关的标量参数。例如，电池与电动机类型和特性、发电机能力与基本特点，以及所有排气后处理系统组件。这样就可以联合优化组件的特性和运行策略，从而具备全面探索多种动力装置结构的潜力。针对特定实例定义，研究人员充分考虑了包含各种精细度的1组预设柴油机特性。

基于先前识别和生成的主要参数集合，研究人员生成了1个综合DoE矩阵，并且针对每1种有利的结构设计进行了仿真研究。获得的结果可用于创建1个综合统计高斯过程（GP）模型，然后利用该模型识别有益于技术规格和整体动力装置设计参数和在给定限制下最有益的运行策略。最后，研究人员将优化过程结果与仿真结果进行了对比（阶段1），并针对所选的特性行驶循环对优化过程结果进行了验证（阶段2）。

研究人员采用了基于FEV公司内部平均值模型的仿真链作为当前分析研究的基础。针对全纵向车辆工况仿真，基于SimulinkGA16B仿真试验与应用环境，确保了同时实现对电力牵引和排气后处理系统等在内的柴油动力装置关键子系统的高度关注。先进的综合工具链主要包含可扩展的物理平均值发动机模型、基于详细特性图的模型或动力学后处理模型，以及包含相关动力装置控制单元简化模型的传动和混合动力组件模型。该精确模型具有高度可变性和模块化程度。因此，矩阵DoE测试计划中研究的不同结构、循环和策略都极易设置和仿真。经过优化后，FEV公司平均值模型仿真平台可重复使用，用于实施所选的其他验证循环，以及通过附加循环计算推进系统的性能。

针对面向未来的柴油混合动力推进系统结构，旨在实现工况有效利用最大化的优化策略对充分发挥该新型结构复杂但动力强劲的动力装置系统的所有优势至关重要。专用的混合动力运行策略决定了驾驶员扭矩需求在所安装柴油机与电驱动单元之间的优化分布。运行策略不仅影响燃油耗，而且还影响发动机排放和排气温度，进而影响整体排气后处理系统的转化效率。研究人员提出的优化方法需要通过标量参数精准复制该运行策略，同时也对包含所有相关行驶模式的简化能量管理进行了仿真。

作为矩阵研究的结果，图12列出了“P2-PHEV”混合动力结构的2种具有代表性的运行模式。1种模式是在标准WLTC 120基准循环工况中的典型工作特性;另1种模式是连续充电模式，始终保持电池电量在20.0%～22.5%范围内。

在WLTC 120循环工况中，该策略的运行模式是在WLTC循环的中低负荷范围内采用电驅动，在循环的高负荷和超高负荷范围采用并联混合动力驱动。该策略研究表明，在市区内局部实现零排放是可能的。

在达到特定预设阈值后，如达到设定车速、电池电量或其他标准时，内燃机开始起动以完成推进需求。随着行驶距离（循环长度）、车速和发动机负荷的不断提高，柴油机的触发频率更高，从而满足车辆行驶过程中驾驶员的动力需求。

2.2 行驶循环分析

鉴于即将到来的严苛排放法规要求，当前研究的主要目标是确定具有最佳燃油效率的电动柴油动力装置，同时确保基本满足截至目前尚未确定的后欧六排放标准要求，保持或改进主要的客户特性。客户特性除了像驾驶性能和舒适性等基本需求外，还包括总负荷能力、长距离行驶、牵引车牵引等需求。

该新型“串联-混联”混合动力推进系统结构针对4次WLTC 120行驶循环的运行性能如图13所示。考虑到市区中心零排放区域的边界，根据制定的控制逻辑，内燃机仅在循环的高负荷和超高负荷范围内起动。在试验提供的实例中，在WLTC循环工况内不对电池进行再充电，在第3个WLTC循环工况结束时，初始存储的电能完全耗尽。结果表明，该循环的燃油耗极低，燃油耗低于百公里4.0 L。然而，更客观的情况是实际运行策略会表现得各不相同。所以，当电池组的荷电状态低于60%时，就应开始为电池充电，同时确保正常输出诸如最低转速和最小负荷等其他发动机参数。

仅限于针对上述法规程序的技术评价，该方案可获得极具吸引力和前景的结果。由于该标准验证循环无法描述和涵盖轻型商用车的总体负荷循环曲线，为了更全面了解整体功能特性，研究人员对工作型线和驾驶顺序进行了深入研究。

为了研究先前列出的4种不同的主要应用实例（分别由市区、郊区和高速等模式组成），研究人员决定更深入了解以下几个方面：（1）仅WLTC 120循环的低速（市区）范围;（2）郊区RDE工况区域;（3）德国汽车协会（ADAC）高速循环（BAB 120）。 图14总结了起动矩阵研究的基本方法并突出显示了主要输入特性。

为了更好地了解电动柴油动力装置结构的不同需求与挑战，研究人员列出了所选行驶模式的主要特性（图15）。一方面，所选的行驶模式包含清晰的法规需求，涵盖官方WLTC循环及具有代表性的且具有一定挑战性的RDE工况循环;另一方面，研究人员研究了对满载轻型商用车具有挑战性的其他典型工作模式，如决定市区内轻载模式的WLTC低负荷工况或针对动态高车速高速路模式的BAB工况。

显然，对于2种柴油混合动力结构的运行策略，P2结构中的基本柴油机可能更需要保持相当高水平的技术定义，因为发动机仍作为主要推进单元，在一定程度上需要电辅助设备提供强电辅助;而“串联-混联”混合动力结构基于成本目标考虑具有高度简化基本柴油机的潜力，因为仅有2～4个负荷点需要考虑，避免了冷起动、怠速、预热和高瞬态机动性等工况，而且还包含针对扩展标定功率工况的特定边界。

4種不同柴油动力装置结构的总能量消耗情况如图16和图17所示。除了原始结构中的传统柴油动力装置外，研究人员对比了所选择的2种柴油混合动力结构的总能量消耗情况。此外，研究人员还详细比较了经典串联混合动力结构与“串联-混联”结构的总能量消耗情况。

对于有限的循环工况长度，如WLTC工况，所有的电动柴油动力装置都从存储的电能中自动获益，使其能够满足任何企业平均燃料经济性（CAFE）法规要求。随着行驶里程的增长，由于不同客户群的偏好不同（如文章开头所述），各种结构之间的运行特性并不相同。由于在推进系统中需要经历多个能量转化阶段，所以传统串联混合动力装置设计需要承受所有更长的行驶距离。P2结构中的1个明显优点是在所有3个循环范围内都具有卓越的总燃油耗性能。但是，如果运行模式主要采用高负荷工况，“串联-混联”结构会更具优势。由于其可实现与车轮的直接机械连接，因此可获得更佳的实际燃油经济性。这与客户群B的需求高度相关。如果采用牵引车牵引或是更长的爬坡行驶工况，相关度则会更高。

2.3 总拥有成本评价与评估

在具备了这些关键输入信息后，研究人员进行了首次商用效率计算。为了生成首次评估及确定成本函数的敏感度，计算侧重所选车辆结构的运行成本。研究人员针对上述2种混合动力结构进行了研究。该矩阵研究中涵盖的所有4种柴油动力装置变形结构的运行成本首次比较情况如图18所示，图中还包含了燃料与电能因不同价格水平而产生的影响。

尽管如此，基于先前的应用与主要使用实例，要想进行全面评价和综合评价，必须考虑多种应用场景。研究人员假设了1种稍作改变的行驶模式，如25%市区、10%郊区和65%高速的行驶模式。对于初始设置的价格，不同结构的成本节约数值基本相同，百公里行驶成本约为155，而对于另1种设置价格，则百公里行驶成本约为290。在平均混合行驶模式中（即每种模式占三分之一），P2混合动力结构的最终成本节约百公里值约为170。在初始价格边界下，“串联-混联”结构的成本百公里节约值约为140。在另1种价格条件下（柴油150/L，电能0.23/（kW·h）），P2结构的价格由百公里300变化至百公里340。

P2混合动力结构与“串联-混联”混合动力结构分别在市区与高速模式下获得的成本节约值基本相当，但是各自的等级不同。在市区模式下，成本节约值为百公里215，针对第2种价格设置节约值为百公里505（燃料价格较高，电能价格较低）;在高速模式下，成本节约值为百公里135。针对第2种价格设置节约值为百公里215。

3 结论

鉴于未来严格的排放法规要求，研究人员提出了1种电动柴油动力装置结构。该结构适用于轻型商用车领域绝大多数客户的潜在需求，一方面能够改善市区空气质量，另一方面能够满足客户群的主要需求。FEV公司通过先进工程项目研究了这种动力装置结构的潜力。先进工程项目涵盖多种车辆推进系统结构研究，为指导进一步研究，研究人员还对各种结构的优缺点进行了识别和确定。本文介绍了不同动力装置结构的主要概念设计、系统参数、零部件结构、运行策略，以及良好的首次仿真结果。在可供选择的车辆范围内，研究人员选用了大型运输箱式货车车型，根据参数和应用的侧重点，为该车型提供了P2和“串联-混联”2种柴油混合动力装置。这2种混合动力装置采用了仅有微小差别的配置基本相同的基本柴油机结构。通过进一步分析，研究人员在试验结果中发现了这2种结构的主要差别，即由于柴油机仍被用作主要推进单元，并且原则上需要覆盖所有工况范围，包括冷起动、轻负荷工况、高动力性和全负荷工况，所以P2结构很可能是强制保持了具有高技术水平的基本柴油机。当然，如果要求基本发动机进行高度模块化，且考虑到传统发动机在全球的广泛使用，而最终仅生产较少量的电动动力装置，该方法是具有优势的。“串联-混联”柴油混合动力装置可将发动机工况限制在2～4个关键运行模式内，能够降低包括排气后处理在内的发动机系统复杂度，以及进一步提高基本发动机的效率，从而向专业化的柴油混合动力发动机方向发展。采用这种方法，可在一定程度上抵消电气化设备带来的高附加成本。基于这种策略，研究人员开发了另1款基本发动机。该发动机仅用于电动变形机用途，且仅在较大生产量时具备价值。

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